« محاسبات و طراحی شبکه برق فشار ضعیف »

1. مقدمه:

شبکه ‌های برق فشار ضعیف به عنوان آخرین حلقه زنجیره انتقال و توزیع انرژی الکتریکی، نقشی بسیار حیاتی در رساندن برق به دست مصرف‌کنندگان ایفا می‌کنند. این شبکه ‌ها، با ولتاژ نامی کمتر از 1000 ولت، وظیفه توزیع برق در سطح ساختمان‌ ها، کارخانه‌ ها و مناطق مسکونی را بر عهده دارند. طراحی و محاسبات دقیق این شبکه ‌ها، نه تنها بر کیفیت و پایداری توان تحویلی تأثیرگذار است، بلکه در کاهش تلفات انرژی، افزایش ایمنی و بهینه‌سازی هزینه ‌ها نیز نقش بسزایی دارد. در این مقاله، به بررسی جامع مباحث مرتبط با محاسبات و طراحی شبکه برق فشار ضعیف می‌پردازیم، با هدف ارائه یک راهنمای تخصصی برای مهندسان، طراحان و فعالان حوزه برق.

2. مفاهیم بنیادی در شبکه ‌های برق فشار ضعیف:

تعریف دقیق شبکه برق فشار ضعیف: شبکه برق فشار ضعیف، به شبکه‌ای اطلاق می‌شود که ولتاژ نامی آن در محدوده 230 ولت تکفاز و 400 ولت سه فاز قرار دارد. این شبکه ‌ها، مستقیماً به کنتور های مشترکین متصل شده و برق مورد نیاز آن‌ها را تأمین می‌کنند.

• انواع شبکه ‌های برق فشار ضعیف بر اساس ساختار:

شبکه ‌های هوایی: کابل‌ ها و یا سیم ها از طریق تیر های برق و یراق‌آلات مناسب، در هوا معلق می‌شوند. این نوع شبکه ‌ها، به دلیل هزینه کمتر و سهولت اجرا، در بسیاری از مناطق مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این نوع شبکه، استفاده از کابل خودنگهدار به دلیل مزایای فراوان، رو به افزایش است.

شبکه ‌های زمینی: کابل‌ ها در زیر زمین، درون کانال‌ ها یا داکت‌ های مخصوص قرار داده می‌شوند. این نوع شبکه ‌ها، به دلیل ایمنی بیشتر و کاهش تأثیرات محیطی، در مناطق شهری و پرجمعیت ترجیح داده می‌شوند.

شبکه ‌های ترکیبی: ترکیبی از شبکه ‌های هوایی و زمینی، با توجه به شرایط و نیازهای خاص هر منطقه.

• اجزای اصلی شبکه ‌های برق فشار ضعیف:

کابل‌ های برق: شامل کابل خودنگهدار برای شبکه ‌های هوایی و کابل‌ های زمینی برای شبکه ‌های زیرزمینی، که وظیفه انتقال انرژی الکتریکی را بر عهده دارند.

تجهیزات حفاظتی: شامل کلید ها، فیوز ها، بریکر ها و سایر تجهیزات که برای حفاظت از شبکه در برابر اتصال کوتاه و اضافه بار استفاده می‌شوند.

یراق‌آلات: اتصالات، مقره ‌ها، بست‌ ها، مهارکش ‌ها و سایر تجهیزات جانبی که برای نگهداری، نصب و اتصال کابل‌ ها و تجهیزات به کار می‌روند.

تابلو های توزیع: تابلو هایی که در پست‌ های توزیع یا محل مصرف قرار می‌گیرند و وظیفه تقسیم و کنترل جریان برق را بر عهده دارند.

ترانسفورماتور های توزیع: ترانسفورماتور هایی که ولتاژ شبکه فشار متوسط را به ولتاژ فشار ضعیف تبدیل می‌کنند.

3. مراحل جامع طراحی شبکه برق فشار ضعیف:

• مطالعات اولیه و جمع‌آوری اطلاعات:

بررسی بار مصرفی: تعیین میزان بار مصرفی فعلی و پیش‌بینی رشد آن در آینده، بر اساس نوع کاربری و تعداد مشترکین.

تعیین موقعیت جغرافیایی و شرایط محیطی: بررسی شرایط آب و هوایی، توپوگرافی زمین، وجود موانع طبیعی و مصنوعی، و سایر عوامل محیطی تأثیرگذار.

انتخاب آرایش مناسب شبکه: تعیین نوع شبکه (هوایی، زمینی یا ترکیبی) و آرایش آن (شعاعی، حلقوی یا ترکیبی) بر اساس شرایط و نیازهای خاص هر منطقه.

بررسی مقررات و استاندارد های محلی: اطمینان از رعایت قوانین و مقررات محلی و استاندارد های ملی و بین‌المللی مربوط به طراحی شبکه ‌های برق فشار ضعیف.

• محاسبات الکتریکی و تعیین مشخصات فنی:

محاسبه دقیق جریان بار: محاسبه جریان بار هر فاز بر اساس توان مصرفی، ضریب توان و ولتاژ شبکه.

محاسبه افت ولتاژ: تعیین میزان افت ولتاژ در طول کابل‌ ها، با توجه به مقاومت، اندوکتانس، و طول کابل. این محاسبه، نقش مهمی در انتخاب سایز کابل دارد.

محاسبه جریان اتصال کوتاه: محاسبه جریان اتصال کوتاه در نقاط مختلف شبکه، برای انتخاب تجهیزات حفاظتی مناسب.

انتخاب کابل مناسب: انتخاب کابل با توجه به جریان بار، افت ولتاژ مجاز، شرایط محیطی، و الزامات نصب.

انتخاب تجهیزات حفاظتی: انتخاب کلید ها، فیوز ها، و سایر تجهیزات حفاظتی بر اساس جریان اتصال کوتاه، جریان نامی، و سطوح هماهنگی عایقی.

• طراحی مسیر و جانمایی تجهیزات:

تعیین مسیر بهینه کابل‌ ها: طراحی مسیریابی بهینه برای کابل‌ ها، با در نظر گرفتن کوتاه‌ترین طول، کمترین موانع، و رعایت حریم‌های ایمنی.

انتخاب نوع کابل (هوایی یا زمینی): انتخاب نوع کابل بر اساس شرایط محیطی، ملاحظات اقتصادی، و زیبایی‌شناسی.

جانمایی تیر ها و داکت ‌ها: تعیین مکان مناسب برای نصب تیر های برق یا داکت‌های زمینی، با در نظر گرفتن فواصل استاندارد و شرایط زمین.

جانمایی تابلو ها و تجهیزات: مکان‌یابی مناسب برای نصب تابلو های توزیع و سایر تجهیزات، با در نظر گرفتن دسترسی آسان و ایمنی.

• نقشه‌کشی و مستندسازی:

تهیه نقشه ‌های اجرایی: تهیه نقشه ‌های دقیق و با جزئیات کافی، شامل مسیر کابل‌ ها، جانمایی تجهیزات، و مشخصات فنی.

تهیه لیست قطعات و مواد: تهیه لیست کامل از قطعات و مواد مورد نیاز، با ذکر مشخصات فنی و تعداد هر کدام.

تهیه دستورالعمل ‌های نصب: تهیه دستورالعمل‌ های واضح و دقیق برای نصب و راه‌اندازی تجهیزات.

4. محاسبات الکتریکی تخصصی در شبکه ‌های برق فشار ضعیف:

محاسبه جریان بار با در نظر گرفتن تنوع بار: محاسبه جریان بار با توجه به ضریب همزمانی بار ها، که نقش مهمی در تعیین ظرفیت کابل‌ ها و ترانسفورماتور ها دارد.

محاسبه افت ولتاژ با روش ‌های دقیق: محاسبه افت ولتاژ با استفاده از روش ‌های دقیق و با در نظر گرفتن پارامتر های کابل، مانند مقاومت، اندوکتانس، و ظرفیت خازنی.

محاسبه جریان اتصال کوتاه با نرم‌افزار های تخصصی: محاسبه دقیق جریان اتصال کوتاه در نقاط مختلف شبکه، با استفاده از نرم‌افزار های تخصصی و با در نظر گرفتن امپدانس منابع تغذیه و تجهیزات شبکه.

انتخاب کابل با در نظر گرفتن عوامل حرارتی: انتخاب کابل با توجه به ظرفیت حرارتی و دمای مجاز کابل، برای جلوگیری از آسیب دیدن کابل در اثر جریان اضافه بار.

انتخاب تجهیزات حفاظتی با هماهنگی مناسب: انتخاب تجهیزات حفاظتی با سطوح هماهنگی عایقی مناسب، برای اطمینان از عملکرد صحیح در برابر اتصال کوتاه و اضافه بار.

5. کابل خودنگهدار و مزایای آن در شبکه ‌های برق فشار ضعیف:

تکنولوژی کابل خودنگهدار: کابل خودنگهدار، نوعی کابل برق هوایی است که دارای روکش عایق بوده و به صورت یکپارچه با سیم مهار طراحی شده است. این کابل، به دلیل ویژگی ‌های خاص خود، جایگزین مناسبی برای شبکه های هوایی سیمی است.

• مزایای کلیدی کابل خودنگهدار:

کاهش سرقت برق: به دلیل ساختار یکپارچه و عایق بودن کابل، امکان سرقت غیرمجاز برق به شدت کاهش می‌یابد.

افزایش ایمنی: عایق بودن کابل، احتمال تماس با برق و بروز حوادث را کاهش می‌دهد.

کاهش تلفات انرژی: مقاومت کمتر کابل خودنگهدار نسبت به کابل‌ های سنتی، باعث کاهش تلفات انرژی می‌شود.

نصب آسان‌تر و سریع‌تر: نصب کابل خودنگهدار، به دلیل ساختار یکپارچه و وزن کمتر، آسان‌تر و سریع‌تر از کابل‌ های سنتی است.

زیبایی بصری: کابل خودنگهدار، به دلیل ظاهر مرتب و منظم، به زیبایی بصری شهرها کمک می‌کند.

مقاومت بالا در برابر شرایط جوی: کابل خودنگهدار، مقاومت بالایی در برابر شرایط جوی سخت، مانند باد، باران و آفتاب دارد.

• انواع کابل خودنگهدار:

کابل ‌های خودنگهدار فشار ضعیف از نظر تعداد رشته، سطح مقطع و جنس هادی انواع مختلفی دارند. در ادامه هر یک از این ویژگی‌ها به تفصیل توضیح داده می‌شود:

• تعداد رشته:

• تک رشته‌ای: عموماً برای خطوط تک‌فاز با کاربرد خاص یا موقتی استفاده می‌شود.
• سه رشته‌ای: شامل دو سیم فاز و یک سیم نول، برای شبکه‌های تک‌فاز مانند روشنایی معابر.
• چهار رشته‌ای: شامل سه فاز و یک سیم نول، معمول برای شبکه‌ های توزیع سه‌فاز.
• پنج رشته‌ای: شامل سه فاز، یک نول و یک سیم زمین برای مواردی که امنیت بیشتری نیاز است، استفاده می‌شود.

• سطح مقطع:

سطح مقطع کابل ‌ها با توجه به نیاز جریان و ولتاژ قابل تحمل انتخاب می‌شود. این مقادیر برای کابل ‌های خودنگهدار فشار ضعیف معمولاً در محدوده‌ های زیر قرار دارند:

• 10 تا 25 میلی‌متر مربع: برای کاربرد های خانگی و روشنایی.
• 35 تا 70 میلی‌متر مربع: برای دسته‌ های بزرگتر یا شبکه ‌های صنعتی سبک.
• 95 میلی‌متر مربع و بالاتر: برای مصارف صنعتی سنگین یا پروژه ‌های زیرساختی.

• جنس هادی:

• آلومینیومی: بیشتر کابل ‌های خودنگهدار از هادی ‌های آلومینیومی ساخته می‌شوند، زیرا آلومینیوم سبک‌تر و ارزان‌تر از مس است. از آلومینیوم بیشتر در شبکه‌ های هوایی استفاده می‌شود که مزیت کاهش وزن حائز اهمیت است.
• مسی: در موارد خاص که به رسانایی الکتریکی بالاتری نیاز است، یا در سیستم‌ هایی که فضای کمی دارند و نیاز به هادی با سطح مقطع کمتر وجود دارد، از هادی ‌های مسی استفاده می‌شود. با اینکه مس رسانای بهتری است، هزینه و وزن بالاتری نسبت به آلومینیوم دارد.

کابل‌های خودنگهدار را با توجه به نیازگذاری و شرایط پروژه انتخاب می‌کنند تا بهترین عملکرد و بازده را داشته باشند.

• نحوه نصب و اتصالات کابل خودنگهدار:

نصب کابل خودنگهدار، باید بر اساس دستورالعمل‌ های سازنده و استاندارد های مربوطه انجام شود. استفاده از یراق‌آلات مناسب، برای اطمینان از اتصال محکم و ایمن کابل، ضروری است.

6. یراق‌آلات و تجهیزات جانبی در شبکه ‌های برق فشار ضعیف:

• • انواع یراق‌آلات:

اتصالات کابل: شامل کلمپ ‌ها، کانکتور ها، و سرکابل‌ ها که برای اتصال کابل‌ ها به یکدیگر یا به تجهیزات استفاده می‌شوند.

مقره‌ ها: عایق‌ هایی که برای نگهداری و عایق‌بندی کابل‌ ها نسبت به تیر ها و سایر تجهیزات استفاده می‌شوند.

بست‌ ها: قطعاتی که برای اتصال کابل‌ ها به تیر ها و داکت‌ها استفاده می‌شوند.

مهارکش ‌ها: برای مهار کردن کابل‌ ها و جلوگیری از کشیدگی و پارگی آن‌ها استفاده می‌شوند.

کلمپ ‌ها: برای اتصال کابل‌ ها به تجهیزات و تابلو های توزیع استفاده می‌شوند.

• تجهیزات حفاظتی:

کلید های مینیاتوری (MCB): کلید های حفاظتی که برای قطع جریان در صورت اضافه بار یا اتصال کوتاه استفاده می‌شوند.

فیوز ها: قطعات حفاظتی که در صورت عبور جریان بیش از حد، ذوب شده و مدار را قطع می‌کنند.

برق‌گیر ها: قطعاتی که برای حفاظت از تجهیزات در برابر صاعقه و اضافه ولتاژ استفاده می‌شوند.

رله‌ های حفاظتی: دستگاه‌ هایی که برای تشخیص خطا و قطع مدار به صورت اتوماتیک استفاده می‌شوند.

استاندارد های یراق‌آلات و تجهیزات: رعایت استاندارد های ملی و بین‌المللی (مانند IEC و IEEE) برای انتخاب، نصب، و نگهداری یراق‌آلات و تجهیزات، ضروری است.

7. کاهش تلفات انرژی در شبکه ‌های برق فشار ضعیف:

• • عوامل مؤثر بر تلفات انرژی:

مقاومت کابل‌ ها: مقاومت بالای کابل‌ ها، باعث ایجاد تلفات حرارتی در اثر عبور جریان می‌شود.

جریان بار: افزایش جریان بار، تلفات انرژی را افزایش می‌دهد.

اتصالات نامناسب: اتصالات ضعیف و شل، مقاومت بالایی ایجاد کرده و تلفات را افزایش می‌دهند.

عدم تعادل بار: عدم تعادل بار در فاز های مختلف، باعث افزایش تلفات می‌شود.

هارمونیک ‌ها: حضور هارمونیک ‌ها در شبکه، تلفات را افزایش می‌دهد.

• روش‌های کاهش تلفات:

انتخاب کابل با مقاومت کم: استفاده از کابل‌ های با سطح مقطع مناسب و جنس هادی با مقاومت کم.

بهبود کیفیت اتصالات: استفاده از اتصالات محکم و استاندارد، برای کاهش مقاومت اتصالات.

بالانس بار: توزیع متعادل بار بین فازهای مختلف، برای کاهش جریان نامتعادل.

استفاده از کابل خودنگهدار: به دلیل مقاومت کمتر و کاهش سرقت برق.

نصب خازن ‌های اصلاح ضریب توان: برای بهبود ضریب توان شبکه و کاهش تلفات ناشی از جریان راکتیو.

بازرسی و نگهداری منظم: بازرسی دوره‌ای و نگهداری منظم از تجهیزات شبکه، برای شناسایی و رفع نقاط ضعف.

8. رفع حریم شبکه ‌های برق فشار ضعیف و الزامات ایمنی:

اهمیت رفع حریم: حفظ حریم شبکه ‌های برق فشار ضعیف، برای جلوگیری از حوادث ناشی از برخورد با شبکه ‌های برق، بسیار مهم است.

• روش‌های رفع حریم:

جابجایی شبکه: انتقال شبکه به مکانی دیگر، با رعایت حریم ‌های ایمنی.

عایق بندی شبکه: استفاده از کابل‌ های عایق شده و پوشش‌های محافظ برای افزایش ایمنی.

استفاده از پوشش‌های محافظ: نصب پوشش ‌های محافظ بر روی کابل‌ ها و تجهیزات، برای جلوگیری از تماس مستقیم با آن‌ها.

نصب علائم هشداردهنده: نصب علائم هشداردهنده در نزدیکی شبکه ‌ها، برای آگاهی‌رسانی به افراد.

• رعایت استانداردهای حریم:

رعایت دقیق فواصل مجاز بین شبکه ‌های برق و ساختمان‌ها، درختان، و سایر تأسیسات، بر اساس استانداردهای ملی و بین‌المللی.

9. دستورالعمل ‌ها و بخشنامه‌ های شرکت‌ های توزیع برق و شرکت توانیر:

• • دستورالعمل ‌های طراحی:

استاندارد ها و مقررات ملی و بین‌المللی: رعایت استاندارد های IEC، IEEE، و استاندارد های ملی ایران در طراحی شبکه ‌های برق فشار ضعیف.

دستورالعمل‌ های شرکت‌ های توزیع برق: رعایت دستورالعمل ‌های خاص هر شرکت توزیع برق، برای طراحی و اجرای شبکه ‌ها.

الزامات فنی و ایمنی: رعایت الزامات فنی و ایمنی در طراحی شبکه ‌ها، برای اطمینان از عملکرد صحیح و ایمن سیستم.

• بخشنامه ‌های اجرایی:

روش ‌های نصب و راه‌اندازی: رعایت بخشنامه‌ های مربوط به روش‌های نصب و راه‌اندازی تجهیزات شبکه.

روش‌ های بهره‌برداری و نگهداری: رعایت بخشنامه‌ های مربوط به بهره‌برداری و نگهداری شبکه ‌های برق فشار ضعیف.

الزامات بازرسی و تست: انجام بازرسی‌ها و تست‌های لازم، برای اطمینان از صحت عملکرد شبکه.

اهمیت رعایت دستورالعمل ‌ها و بخشنامه‌ ها: رعایت دقیق دستورالعمل‌ ها و بخشنامه ‌ها، برای اطمینان از طراحی و اجرای صحیح شبکه ‌ها، افزایش ایمنی، کاهش تلفات، و افزایش عمر مفید سیستم، ضروری است.

10. تولیدکنندگان معتبر تجهیزات شبکه برق فشار ضعیف:

• • تولیدکنندگان کابل:

• شرکت کابل البرز: (alborzcable.com) تولیدکننده انواع کابل‌ های برق فشار ضعیف و فشار متوسط، با کیفیت بالا و مطابق با استاندارد های ملی و بین‌المللی.
• شرکت کابل مسین: (masincable.com) تولیدکننده انواع کابل‌ های مسی و آلومینیومی با کیفیت مرغوب و قیمت مناسب.
• شرکت سیمکو: (simco.ir) تولید کننده انواع کابل و سیم های برق با تنوع بالا و قیمت رقابتی.

• تولیدکنندگان یراق‌آلات:

• شرکت ایران ترانسفو: (irantransfo.com) تولید کننده انواع یراق آلات و تجهیزات شبکه برق با کیفیت و استاندارد.
• شرکت نیرو ترانس: (nirootrans.com) تولید کننده انواع یراق آلات و مقره های شبکه برق با تکنولوژی پیشرفته.
• شرکت پارس خزر: (parskhazar.com) تولیدکننده انواع یراق‌آلات شبکه برق فشار ضعیف و متوسط.

• تولیدکنندگان تجهیزات حفاظتی:

• شرکت پارس فانال: (parsfanall.com) تولید کننده انواع کلیدهای مینیاتوری، فیوزها، و سایر تجهیزات حفاظتی.
• شرکت اشنایدر الکتریک: (se.com/ir) تولید کننده انواع تجهیزات الکتریکی و حفاظتی با کیفیت بالا و تکنولوژی پیشرفته.
• شرکت ABB : (abb.com) تولید کننده انواع تجهیزات الکتریکی و حفاظتی با کیفیت بالا و تنوع محصول زیاد.

11. منابع در خصوص شبکه برق فشار ضعیف:

• استاندارد 60287IEC : استاندارد بین‌المللی برای محاسبه ظرفیت جریان کابل‌ ها.
• استاندارد 141IEEE : استاندارد برای طراحی سیستم ‌های توزیع برق صنعتی.
• کتاب ” توزیع انرژی الکتریکی ” تألیف دکتر قدرت سپانلو.
• وب ‌سایت شرکت توانیر: (tavanir.org.ir)
• وب ‌سایت انجمن مهندسی برق ایران: (ieee.org.ir)
• وب ‌سایت شرکت ‌های توزیع برق منطقه‌ای: ( به عنوان مثال، tavanir.org.ir/tozi)
• کتاب ” مهندسی سیستم های قدرت ” تألیف استیون استیونسون
• مجله مهندسی برق ایران